重庆大石220 kV新一代智能变电站优化设计

彭鹄 ，田娟娟 ，陈燕 ，闫培丽，史京楠

（1.重庆电力设计院，重庆市 401121；2.重庆市电力公司电力科学研究院，重庆市 401121；3.国网北京经济技术研究院，北京市 100052）

0 引言

传统变电站的一次设备主要包括变压器、开关设备（气体绝缘开关设备、断路器）、隔离开关、互感器等，二次设备主要包括保护、监控、计量、电源及其他辅助系统，一次设备与二次设备相对独立，且二次设备集中布置于二次设备室。

根据《智能变电站技术导则》的定义，智能变电站是采用先进、可靠、集成、低碳、环保的设备组合而成，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能，并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级应用功能的变电站［1］。

智能变电站的特点首先是具有高度的可靠性；其次是具有很强的交互性；其三是具有很高的集成度［2－3］。

目前已投运的智能变电站已实现了一次设备本体与在线监测传感器的集成，有关保护、测控装置，合并单元智能终端的装置集成在不同电压等级的变电站均有使用，实现了一、二次设备的初步融合，未来将朝着一、二次设备完全一体化的方向发展［4－6］。

本文根据智能变电站的发展方向和新一代智能变电站的设计理念，提出了新一代智能变电站设备集成的新思路，达到设备的高度集成化，同时，根据集成设备提出变电站优化设计思路和方案，实现变电站占地面积的优化。

1 新一代智能变电站的设计原则

新一代智能变电站的设计原则是“系统高度集成、结构布局合理、装备先进适用、经济节能环保、支撑调控一体”。

系统高度集成。设备上包括一次设备集成；系统上包括对保护、测控、计量、功角测量等二次系统一体化集成和故障录波、辅助控制等系统的融合；功能上包括变电站与调控、检修中心功能的无缝衔接。

结构布局合理。对内包括一、二次设备整体集成优化、通信网络优化以及建筑物平面设计优化；对外包括主接线优化，灵活配置运行方式适应变电站功能定位的转化和电源、用户接入。

装备先进适用。设备上智能高压设备和一体化二次设备的技术指标先进、性能稳定；系统上功能配置、系统调试、运行控制工具灵活高效，调控有力；通信系统安全可靠，信息传输准确无误。

经济节能环保。在全寿命周期内，最大限度地节约资源，节地、节能、节水、节材、保护环境和减少污染，实现效率最大化、资源节约化、环境友好化。

支撑调控一体。优化信息资源，增加信息维度，精简信息总量。支持与多级调控中心的信息传输；支撑告警直传与远程浏览，为主站系统实现智能变电站监视控制、信息查询和远程浏览等功能提供数据、模型和图形的传输服务［7－8］。

2 一次设备集成基本思路

新一代智能变电站一次设备的集成是在传统一次设备的基础上将部分一次设备的功能进行有效整合，从而优化变电站内设备配置，减少变电站设备数量，优化变电站平面布置，减少变电站占地面积，降低变电站运行维护工作量。

2.1 隔离式断路器的应用（集成式智能隔离断路器）

老式断路器的故障率比隔离开关高很多，常规变电站设备配置每间隔在断路器两侧配置隔离开关，目的是尽可能将断路器隔离开来以便检修，随着断路器设计和生产工艺的不断提高，断路器的故障率大幅降低，隔离开关的故障率并未有明显变化，现阶段的变电站一次设备检修维护的主要工作量集中在隔离开关上。

隔离式断路器（disconnecting circuit breaker，DCB）是近年来被研发出来的新设备，其外形尺寸与普通断路器一致（如图1所示）。隔离式断路器有3个工作位置：合闸位置、分闸位置、隔离开关位置，断路器断口达到隔离开关耐压水平，其具备了隔离开关的功能，该功能通过断路器灭弧室触头来实现，选配接地开关置于断口外，接地开关闭合，可见接地点证明DCB在分闸位置，并可实现闭锁，确保操作维护人员的安全。电子互感器可实现与DCB的的集成或组合安装。

图1 隔离式断路器外形及灭弧室结构图Fig.1 Shape of disconnecting circuit breaker and structure of interrupter

由于隔离式断路器具备了断路器＋隔离开关＋电流互感器＋接地开关的功能，因此将其应用于变电站可以减少变电站主接线中元件的数量，提高变电站电气主接线的可靠性。

2.2 集装箱式设备的应用

目前，集装箱式设备在电力行业中多应用于低压配网的箱式变，在高压输变电工程中还处于试点应用阶段［9］。集装箱式设备按电气功能模块化设置，箱内接线及单体设备调试均在工厂内完成。箱内设备、箱与箱及箱与其他设备间采用标准化连接，实现“即插即用”。集装箱式设备最大程度实现工厂内规模生产、集成调试，采用标准化定型，提高工艺水平。推进现场机械化施工，减少劳动力投入，降低现场安全风险，提高工程质量，提升施工效率（图2）。

图2 变电站中集装箱式建筑应用示意图Fig.2 Schematic diagram of container－type equipment in substation

2.3 气体绝缘开关柜的应用

气体绝缘高压开关柜是一种紧凑、封闭、免维护的开关柜，由于其带电部分安装在充有气体的密封气室内，因此带电部分不会受污秽、灰尘、小动物等的影响，且能最大限度的保证人员的安全。该类开关柜的技术成熟，结构紧凑，相比空气柜，气体绝缘式高压开关柜具有体积小、防护等级高、使用寿命更长、免维护、不受海拔潮湿影响特点。

将气体绝缘开关柜应用于新一代智能变电站，并安装于集装箱内，能极大的优化变电站的占地面积，图3为采用集装箱布置的10kV 配电装置平面图。

图3 采用集装箱布置的10kV配电装置平面图Fig.3 Layout of 10kV power distribution device in container

2.4 气体绝缘母线的应用

气体绝缘母线即GIS 设备的封闭绝缘母线，其具有结构紧凑、体积小、防护等级高、使用寿命长、免维护等优点。将气体绝缘母线应用于新一代智能变电站的110kV 母线，由于其封闭绝缘性能，可以不考虑带电距离，同时由于其免维护性可简化主接线形式，达到缩小变电站占地面积的目的。

3 二次系统集成与创新

新一代智能变电站二次设备的集成主要体现在设备及其实现功能的整合；创新主要体现在层次化保护控制系统的应用。

3.1 二次设备集成整合

系统高度集成是新一代智能变电站设计的原则之一，二次系统的设计方案从站控层、间隔层到过程层设备配置，无不遵循这一原则。

站控层设备集成：变电站监控主机、操作员工作站和工程师工作站采用三合一服务器配置方式；Ⅰ区数据通信网关机和图形网关机采用二合一服务器配置方式。间隔层设备集成：220kV 电压等级和主变压器采用多功能测控装置，集成测控、计量和PMU功能；110kV 电压等级采用保护、测控与计量多合一装置；10kV 电压等级采用保护、测控、计量、录波、操作及合并单元等六合一装置。

过程层设备集成：110kV 及以下电压等级采用合并单元与智能终端装置集成；主变压器本体智能终端集成非电量保护功能。

通过集成整合设计，有效减少了二次设备的配置数量，降低了二次系统运行维护工作量。

3.2 层次化保护控制系统

层次化保护控制系统以就地保护为基础、站域与广域保护协同的多维度层次化继电保护系统，从空间维度上由3层构成，分别是就地层保护控制系统、站域层保护控制系统和广域层保护控制系统，3层保护控制系统实现电网全范围保护控制功能覆盖，3层构架如图4所示［10］。

图4 层次化保护控制系统构架Fig.4 Architecture of hierarchical protection ＆control system

3.2.1 就地级保护控制系统

就地保护控制系统，向单个被保护对象，利用被保护对象自身信息独立决策，实现可靠、快速地切除故障，其保护功能的实现不受站域保护控制系统和广域保护控制系统的影响。

3.2.2 站域级保护控制系统

站域保护控制系统，面向变电站，利用站内多个对象的信息，集中决策，完成并提升变电站层面的保护及安全自动控制功能。

站域保护控制功能配置应根据不同地区、不同站点的实际需求确定，如表1所示。

站域保护控制系统有助于解决传统后备保护仅能获取单间隔信息，动作时间长、灵敏性和选择性无法兼顾的问题，与就地级保护控制系统一并构成变电站继电保护体系。

表1 220kV变电站站域保护控制系统功能需求表Tab.1 Functional requirement of substation－area protection ＆control system in 220kV substation

3.2.3 广域级保护控制系统

广域保护控制系统，面向区域电网，利用多站的综合信息，统一判别决策，实现相关保护及安稳控制等功能。

随着电网建设的规模的不断扩大，对电网安全稳定运行的要求越高，广域保护控制系统可以实现在更广范围内以最优化方式实现故障切除，确保系统的安全稳定运行。

层次化保护控制系统是新一代智能变电站中继电保护系统的重要特征，以继电保护多年成功的理论和实践探索为基础，既坚持了就地保护的独立性和可靠性，又充分利用可共享的数据信息和网络通信技术，有效整合保护功能、提升故障识别能力，强调了与安全稳定控制功能的协调配合，提升了保护控制系统总体性能，有利于构建更加严密的电网安全防护体系。

4 变电站主接线及总平面优化设计

重庆大石220 kV 输变电工程被国家电网公司列为新一代智能变电站试范工程，本文以重庆大石220 kV变电站为例，将隔离式断路器、气体绝缘开关柜、110 kV 气体绝缘母线、层次化保护控制系统及集装箱式设备应用于该站，并在此基础上对该站的主接线和总平面进行合理优化，以达到提高运行可靠性、降低维护工作量、优化占地面积、节能经济环保的目的。

该站的建设规模为主变压器最终3 台180 MVA；220 kV 出线最终6回；110 kV 出线最终12回；10 kV 出线最终24回。

4.1 电气主接线优化设计方案

该站按其建设规模如采用常规一次设备，220 kV 电气主接线如图5所示［11］。

图5 采用常规一次设备时220kV电气主接线图Fig.5 220kV main electrical wiring diagram with using conventional primary equipment

如采用隔离式断路器，220kV 电气主接线如图6所示。

图6 采用隔离式断路器时220kV电气主接线图Fig.6 220kV main electrical wiring diagram with using disconnecting circuit breaker

从图5、图6 可以看出，采用隔离式断路器后，220kV 电气主接线中元件数量得到了较大减少，出线及主变间隔断路器、电流互感器整合为集成式智能隔离断路器，取消线路侧隔离开关，每个间隔设备数量减少3个，但主接线形式仍为双母线接线。

该站按其建设规模，如采用常规一次设备，110kV电气主接线如图7所示［11］。

图7 采用常规一次设备时110kV电气主接线图Fig.7 110kV main electrical wiring diagram with using conventional primary equipment

如采用隔离式断路器，110kV 电气主接线如图8所示。

从图7、图8 可以看出，采用隔离式断路器后，110kV 电气主接线中元件数量得到了较大减少，出线及主变间隔断路器、电流互感器整合为集成式智能隔离断路器，电气主接线从双母线接线简化为单母线三分段接线，取消出线及母线隔离开关。

经过上述优化，设备数量和投资变化如表2～3所示。

图8 采用隔离式断路器时110kV电气主接线图Fig.8 110kV main electrical wiring diagram with using disconnecting circuit breaker

表2 采用DCB与否时220kV设备数量对比Tab.2 Comparison of 220kV equipment numbers between using DCB and not using DCB

表3 采用DCB与否时110kV设备数量对比Tab.3 Comparison of 110kV equipment numbers between using DCB and not using DCB

从表2、表3可以看出，采用隔离式断路器后变电站的设备数量得到大幅降低，电气主接线中元件数量也相应减少，该站电气主接线的可靠性分析如表4～5所示。

表4 220kV电气主接线可靠性比较Tab.4 Reliability comparison of 220kV main electrical wiring

从表4 可以看出采用隔离式断路器后，220 kV电气主接线的失电量期望将减少1 596 MW·h·a－1（容载比按1计算），如果1 kW·h电按0.5元考虑，每年可提高售电额约79.8万元。

表5 110kV电气主接线可靠性比较Tab.5 Reliability comparison of 110kV main electrical wiring

从表5 可以看出采用隔离式断路器后，110 kV电气主接线的失电量期望将减少1 965 MW·h·a－1（容载比按1计算），如果1 kW·h电按0.5元考虑，每年可提高售电额约98.3万元。

4.2 电气总平面优化设计方案

根据该站的建设规模，参照国家电网公司通用设计方案，采用常规设备的220 kV 配电装置平面布置图如图9所示［11］。

图9 采用常规设备的220kV配电装置平面布置图Fig.9 Layout of 220kV power distribution devices with using conventional equipment

采用隔离式断路器和集装箱式设备后的220kV配电装置平面布置图如图10所示。

图10 采用隔离式断路器的220kV配电装置平面布置图Fig.10 Layout of 220kV distribution devices with using disconnecting circuit breaker

根据该站的建设规模，参照国家电网公司通用设计方案，采用常规设备的主变及110kV 配电装置平面布置图如图11所示［11］。

图11 采用常规设备的主变及110kV配电装置平面布置图Fig.11 Layout of main transformer and 110kV power distribution devices with using conventional equipment

采用隔离式断路器、气体绝缘开关柜和110kV气体绝缘母线、集装箱式设备后的主变及110kV 配电装置平面布置图如图12所示。

图12 采用隔离式断路器的主变及110kV配电装置平面布置图Fig.12 Layout of main transformer and 110kV distribution devices with using disconnecting circuit breaker

经过上述优化后，变电站横向尺寸未发生变化，但纵向尺寸由128.5m 减少为84.5m，另外由于集装式建筑的应用，变电站建筑面积也得到较大减小，优化前后占地面积和建筑面积对比如表6所示。

表6 优化前后占地面积和建筑面积对比表Tab.6 Comparison of occupied area and building area before and after optimization

5 结论

本文根据新一代智能变电站的设计理念和思路，提出了隔离式断路器、集装箱式建筑、气体绝缘开关柜和110 kV 气体绝缘母线在变电站的应用，总结了二次系统设备集成整合和层次化保护控制系统的配置原则，并以重庆大石220 kV 变电站为例，对其电气主接线和电气总平面进行了优化设计。

经过设备集成和优化设计后，变电站电气主接线的可靠性得到了明显提高，且占地面积和建筑面积也得到了较大减小，满足新一代智能变电站的设计原则，达到新一代智能变电站的建设目的，同时为新一代智能变电站的推广实施奠定了基础。

［1］国家电网公司.Q／GDW383—2009 智能变电站技术导则［S］.北京：中国电力出版社，2009.

［2］钟金，郑睿敏，杨卫红，等.建设信息时代的智能电网［J］.电网技术，2009，33（13）：12－18.

［3］曹楠，李刚，王冬青.智能变电站关键技术及其构建方式的探讨［J］.电力系统保护与控制，2011，5（39）：63－67.

［4］国家电网公司.Q／GDW Z410—2010 高压电气设备智能化技术导则［S］.北京：中国电力出版社，2010.

［5］黄新波，贺霞，王宵宽，等.智能变电站的关键技术及应用实例［J］.电力建设，2012，33（10）：29－33.

［6］国家电网公司智能电网部.智能开关设备技术条件［R］.北京：国家电网公司，2010.

［7］宋璇坤，李敬如，肖智宏，等.新一代智能变电站整体设计方案［J］.电力建设，2012，33（11）：1－6.

［8］刘有为，邓彦国，吴立远.高压设备智能化方案及技术特征［J］.电网技术，2010，34（7）：1－4.

［9］王伟男.当代集装箱装配式建筑设计策略研究［D］.广州：华南理工大学，2011.

［10］李孟超，王允平，李献伟，等.智能变电站及技术特点分析［J］.电力系统保护与控制，2010，18（38）：59－62.

［11］国家电网公司.国家电网公司输变电工程通用设计：110（66）～750 kV 智能变电站部分［M］.北京：中国电力出版社，2010.